Пока горит огонь

Новые технологические направления в угольной энергетике
03.06.2020
Алексей Батырь

Чтобы угольные ТЭС остались среди основных источников электроэнергии, мы должны повысить их энергетическую эффективность, обеспечить минимум атмосферных выбросов и снизить операционные затраты. Новые технологические разработки в этой области позволяют надеяться, что так оно и будет.

Хотя большинство экспертов сходятся в том, что в ближайшей перспективе в ряде регионов мира уголь останется главным топливом для электрогенерации, угольной энергетике приходится бороться за выживание в условиях серьёзных проблем на рынке и постоянного давления со стороны экологических организаций и регуляторов.

Во всём мире идут поиски новых технологий, которые позволят углю балансировать в рамках «энергетической трилеммы», включающей надёжность поставок, доступность по цене и эффективное решение экологических проблем, говорит Лесли Слосс, эксперт «Центра чистого угля» (Clean Coal Center). Это ассоциация технологического развития, учреждённая Международным энергетическим агентством (МЭА) в 1975 году для сбора, анализа и представления информации по угольной энергетике. «Переход к более эффективному и чистому производству электроэнергии - это общая цель. Правительства и энергокомпании хотят быть уверенными в том, что угольные электростанции в будущем обретут высокую эффективность и обеспечат низкий уровень атмосферных выбросов», - подчёркивает она.

Но Лесли Слосс, подготовившая в прошлом году для центра подробный отчёт о технологической готовности современных угольных электростанций, предупредила, что успех нынешних и будущих энергетических проектов в значительной степени зависит от того, как они впишутся в новую структуру энергетики. «Те системы, которые обеспечивают гибкость, надёжность и возможность использовать местные источники топлива, помогая при этом снизить атмосферные выбросы CO2, будут иметь явное преимущество», - утверждает она. Сегодня в разработке находится несколько подобных технологий, позволяющих использовать уголь, часто низкого качества, для производства энергии и/или химических продуктов. «Такие технологии действительно окажутся востребованы, если их довести до ума, но пока многие проекты находятся на ранних стадиях разработки и могут считаться рискованными инвестициями», - сказала госпожа Слосс.

Сберечь потенциал

В июле 2018 года в пятой «дорожной карте» по технологиям использования ископаемых источников энергии НИИ электроэнергетики США (Electric Power Research Institute) и Совет по исследованиям углеродных технологий (Carbon Utilization Research Council, CURC) определили несколько направлений, которые могут помочь угольным ТЭС стать конкурентоспособными по стоимости в сравнении с другими источниками электроэнергии в рыночных условиях между 2025 и 2035 годами. Новые установки готовятся к масштабным пилотным испытаниям, а некоторые - и к коммерческой демонстрации. Для справки: CURC - это промышленная коалиция, сосредоточенная на технологических решениях для сохранения ископаемого топлива в сбалансированном «энергетическом портфеле» США.

Повышая параметры пара

В первую очередь стоит упомянуть усовершенствованные ультрасверхкритические системы. В настоящее время подключены к электрическим сетям и находятся в эксплуатации объекты ультрасверхкритической генерации суммарной мощностью около 250 ГВт. Из них 90% (224 ГВт) находится в Азии (где строится ещё 88,2 ГВт, в основном в Китае и Японии), а из оставшихся 10% большая часть расположена в Европе (19,2 ГВт). Повышение эффективности таких систем продолжается, отмечает Эндрю Миченер, генеральный директор Центра чистого угля МЭА. Например, эффективность ультрасверхкритической станции в Шанхае (Китай) увеличилась с первоначальных 43% до более чем 47%, «что является огромным достижением», убеждён Миченер. Тем временем идут испытания жаропрочных никелевых сплавов, которые помогут энергетикам довести температуру пара до 700 °C, а в некоторых случаях и выше, в усовершенствованных ультрасверхкритических системах (Advanced Ultra Super Critical), повысив топливную эффективность до 50%.

Новая волна газификации

Несколько коммерческих предприятий по всему миру уже используют процессы газификации угля и производства синтез-газа, который можно применять в парогазовых установках (ПГУ) для выработки электроэнергии. Существуют также ПГУ с внутрицикловой газификацией (Integrated gasification combined cycle, IGCC). «Системы этого типа могут работать на разнообразных углях, включая некачественные, бурые и лигниты. Энергоустановки IGCC потребляют меньше воды, чем большинство обычных ТЭС. А газ у них на выходе получается достаточно чистый. После небольшой обработки его можно подготовить к улавливанию, утилизации и хранению углекислоты (Carbon capture, utilization and storage)», - говорит Лесли Слосс.

К сожалению, большинство новых проектов, находящихся на стадиях предложения и проработки, в настоящее время отложены или приостановлены. По словам г-жи Слосс, из двадцати проектов IGCC, предложенных в 2013 году в Китае, только три продвигаются вперёд. «Выгоды от применения внутрицикловой газификации угля часто считаются недостаточными для компенсации возрастающих затрат и рисков». По её словам, ключевое преимущество IGCC по сравнению с усовершенствованной ультрасверхкритической технологией - это пригодность для улавливания углерода, но после добавления соответствующего оборудования эффективность установки может снизиться на 7-11 процентных пунктов.

Сжигание без пламени

С 1980 года во всём мире было построено более пятнадцати небольших пилотных и демонстрационных установок с кислородным беспламенным сжиганием топлива. Этот технологический процесс основан на разделении воздуха на отдельные газы для удаления азота и сжигания ископаемых топлив в среде кислорода и возвращённых в топку дымовых газов. Отмечается, что такой подход повышает эффективность цикла за счёт рекуперации тепла дымовых газов и снижения энергопотребления на собственные нужды установки. Благодаря меньшему объёму оборудования потенциально снижаются капитальные затраты, а высокая концентрация углекислоты в отработанных газах облегчает её улавливание. Несмотря на перспективность, технологический процесс пока не доведён до промышленного внедрения.

Слосс связывает медленное внедрение технологии с отсутствием финансирования в США и Великобритании. В Китае препятствия «больше связаны с факторами риска», сказала она. К ним относятся сложность, высокие стоимость и энергопотребление систем обработки газа, в том числе блоков разделения воздуха и извлечения CO2. На Западе перспективные исследования продолжаются. Например, Министерство энергетики США в 2019 г. выделило Юго-Западному научно-исследовательскому институту (Southwest Research Institute) в Сан-Антонио (шт. Техас) миллион долларов на разработку пилотной электростанции мощностью 50 МВт, основанной на технологии кислородного беспламенного сжигания под давлением.

Носитель кислорода

Технология химического циклического сжигания (Chemical looping combustion, CLC) обычно предусматривает два реактора (воздушный и топливный) с псевдосжиженным кипящим слоем. Чтобы обойтись без криогенного разделения воздуха на отдельные газы, в качестве источника кислорода используют оксид металла или известняк. В одном реакторе он окисляется, а в другом - восстанавливается. Ключевое преимущество технологии - теоретически высокая эффективность.

Слосс отметила, что многообещающая технология CLC всё ещё проходит стадию теоретической проработки и есть надежда на значительные успехи в следующем десятилетии. Япония собирается внедрить свои CLC-системы мощностью от 100 до 500 МВт с тепловым КПД 46% и улавливанием CO2 к 2030 году. Пилотная установка CLC на ТЭЦ Dover Light and Power в Дувре (шт. Огайо) может быть введена в эксплуатацию уже в 2020-м.

Сверх всякой критики

В последнее время большой интерес специалистов вызвали энергетические циклы на сверхкритическом CO2 (sCO2), которые могут выполняться по двум вариантам: с косвенным и прямым нагревом. В первом тепло для получения sCO2 передаётся от горящей топливной смеси обычным способом - через теплообменник. Второй вариант предусматривает кислородное сжигание, создающее поток из sCO2 и пара, который непосредственно приводит в действие силовую турбину. В обоих процессах в качестве рабочего тела задействован sCO2 и применяется компактная турбомашина (благодаря высокой удельной мощности, переносимой sCO2), что позволяет снизить капитальные затраты на строительство ТЭС. Кроме того, обе технологии обеспечивают высокую энергетическую эффективность. В установках с прямым нагревом получается поток СО2 с трубопроводным давлением, что удобно для связывания углекислого газа или его закачки под землю, если это предусмотрено проектом.

Без рабочего тела

Новое направление - это угольные системы, объединённые с топливными элементами. В 2014 году в Южной Корее был запущен в эксплуатацию парк топливных элементов Gyeonggi Green Energy мощностью 59 МВт. В нём используются топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC), работающие на природном газе. Проблемы с надёжностью топливных элементов решены ещё не полностью, но появление газовых электростанций промышленного масштаба на их основе стимулирует развитие технологий непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую.

«В настоящее время на стадию лабораторных испытаний вышли системы с топливными элементами, использующими твёрдый уголь», - рассказала Слосс, добавив, однако, что наиболее перспективны топливные элементы с внутрицикловой газификацией (Integrated gasification fuel cell, IGFC). В них установка для газификации угля объединена с высокотемпературными топливными элементами, в результате чего получается высокоэффективная система электрогенерации с низким уровнем атмосферных выбросов. Эксперты отмечают, что установку IGFC можно получить из системы IGCC, заменив силовой остров в виде газовой турбины батареей топливных элементов.

Первая демонстрационная установка IGFC с улавливанием углекислого газа, разрабатываемая в Японии, может быть введена в эксплуатацию уже к 2021 году. С апреля 2012-го на ПГУ компании Osaki CoolGen мощностью 166 МВт с внутрицикловой газификацией угля реализуется проект, который имеет целью продемонстрировать топливные элементы с внутрицикловой газификацией и технологией улавливания CO2. Проект разбит на три этапа: проверка масштабируемости фирменной технологии газификации EAGLE, добавление оборудования для улавливания углерода и включение в систему топливных элементов. Предполагается, что общая эффективность системы должна дойти до 55%.

Источник: По материалам Power Magazine

Читайте другие наши материалы